工程學(xué)課程設(shè)計(jì)

1、怒江州六庫鎮(zhèn)芭蕉河流域設(shè)計(jì)說明書學(xué)院：林學(xué)院班級：水保111姓名：吳廣 學(xué)號：1109030025概述1.1任務(wù)由來芭蕉河泥石流位于怒江州六庫鎮(zhèn)，泥石流的活動(dòng)一是直接威脅著扇體上人民 的生命和財(cái)產(chǎn)安全，并造成了嚴(yán)重危害；二十泥石流堆積物曾沖毀、淤埋溝道, 兩岸附近的州運(yùn)輸總站、州郵電局、州民族師范學(xué)校等6個(gè)單位的房屋40棟、 橋梁兩座等,估計(jì)經(jīng)濟(jì)損失889萬元。對六庫鎮(zhèn)安全構(gòu)成潛在威脅，因此迫切需 要開展芭蕉河泥石流溝的治理工作。1.1主要目的本設(shè)計(jì)目的是:根據(jù)芭蕉河泥石流的形成條件、物源的分布特征及發(fā)展趨勢， 對泥石流災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，以保證泥石流威脅范圍內(nèi)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全為目 的。2、怒

2、江州六庫鎮(zhèn)芭蕉河流域基本情況2.1地理位置及地形概況：怒江州六庫鎮(zhèn)位于云南省西部，芭蕉河位于六庫鎮(zhèn)西坡，地理坐標(biāo)為： 東經(jīng) 98 49 24 98 51 36，北緯 25 50 00 25 51 30。芭蕉 河源于著名的高黎貢山東坡，怒江西岸，匯水面積為4.08燦2，主溝長4.33 燦，自西向東流.最高點(diǎn)海拔為2450m ,山口處海拔為880m,高差達(dá)1570m,比降為 250%。,溝床迭水，陡坎，拐彎多見，溝床阻塞系數(shù)為1.31.7,溝側(cè)山坡3035 , 局部達(dá)60 .河流出口后堆積有不同時(shí)期的洪積物,與怒江交匯處海拔為790m。芭蕉河泥石流衛(wèi)星圖芭蕉河泥石流扇形地衛(wèi)星圖2.2地質(zhì)：流域內(nèi)主

3、要分布的地層有元古代高黎貢山群(ptjl)變質(zhì)巖系，以片巖，片麻 巖,混合巖，變粒巖為主，片理產(chǎn)狀240Z65 .山口地帶出露寒武系山組(E36) 砂巖，板巖，產(chǎn)狀為250Z40，三迭河彎街組(T3)碳酸鹽巖，以白云巖為主，產(chǎn) 狀為230Z55，其表層大部分覆蓋有厚0.51.0m的殘積層.山口以東全怒江 邊約1100m,為一洪積扇，怒江州衛(wèi)校，師范學(xué)校和汽車總站等單位設(shè)于此地，是 州府重鎮(zhèn)之一。新生代以來,構(gòu)造應(yīng)力呈東西向強(qiáng)烈擠壓，地殼持續(xù)抬升。在長期 地質(zhì)營力作用下，巖體破碎，節(jié)埋裂隙發(fā)育，溪溝下切，風(fēng)化土層深厚，崩塌,滑坡 發(fā)育，松散體物質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)1369萬m3,河移方量410萬m3,固體物

4、質(zhì)源豐富，為泥石 流的形成創(chuàng)造了必要的物質(zhì)條件。2.3氣候、水文及植被情況：該流域?qū)儆趤啛釒駶櫄夂?，年平均氣溫?0.2C,最高溫度為20.6 C, 極高氣溫可達(dá)41.6 C,極低氣溫可達(dá)4.5 C ，年平均降雨量為1011啞,510 月為雨季,降雨占全年的70%。芭蕉河內(nèi)常年有水，但隨季節(jié)流量暴漲暴落，旱季 最小流量為0.02m3/s,雨季可增加數(shù)10倍.全流域林地面積占68%,郁閉度為60%, 坡耕地占32%.2.4泥石流概況：從流域特點(diǎn)看，泥石流形成過程可分為水源區(qū)，形成區(qū)，流通區(qū)和淤積區(qū)，水 源區(qū)位于1000m以上,面積為3.62燦2 ,發(fā)育有滑坡3個(gè)，坍塌4處，松散固體物 質(zhì)儲(chǔ)量為

5、636萬m3,單位儲(chǔ)存量為120.44萬m3/km2 ,形成區(qū)位于主溝1060 880m,面積0.46燦2 ,發(fā)育有滑坡4個(gè)坍塌5處,松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量為730萬m3, 流通、淤積區(qū)880m全怒江邊,長度為1.1燦,泥石流時(shí)沖時(shí)淤。2.5泥石流的特征：1989年10月20日晚8時(shí)，芭蕉河爆發(fā)了一場災(zāi)害性泥石流，高約3m的泥 石流龍頭夾裹著巨大漂礫急泄而下，沖毀，淤埋溝道，兩岸附近的州運(yùn)輸總站，州 郵電局，州民族師范學(xué)校等6個(gè)單位的房屋40棟，橋梁兩座等，估計(jì)經(jīng)濟(jì)損失889 萬元.根據(jù)災(zāi)后現(xiàn)場調(diào)查，泥石流剖面多為“泥包礫”泥位呈黃色，坡降8.7%，保 存一年多未脫落，表明漿體稠度很高，為粘性泥石流

6、,據(jù)房屋墻壁的泥痕和固體沉 積物深度，推算出流體容重為21KN/m3,經(jīng)采樣粒度分析，測得中值粒徑為d50=2.5啞.用泥痕法計(jì)算得流速為45m/s,根據(jù)武漢水電學(xué)院水槽實(shí)驗(yàn)公式計(jì) 算的流速為4.08m/s,流量為160m3/s.2.6泥石流成因：芭蕉河山口以上屬中山地形，侵蝕切割較深,大部分地段呈“V”型谷，岸 壁陡峻，巖體破碎，崩塌，滑坡較為發(fā)育,松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)1369萬m3,為泥石 流的形成創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ).歷時(shí)長，強(qiáng)度大的降雨是激發(fā)泥石流形成的動(dòng)力，1989 年10月3日至20日，該地區(qū)出現(xiàn)了長達(dá)半月的連續(xù)降雨天氣,共降雨461.7啞, 突破了歷史同期所有極值，其中，10日為69.4

7、啞，16日為74.5啞，17日為59.8 啞，19日為50.5啞,20日有出行了高強(qiáng)度點(diǎn)暴雨而觸發(fā)了大規(guī)模泥石流的形成.據(jù)資料記載,二十世紀(jì)二十年代末,曾爆發(fā)過一次規(guī)模最大的泥石流，1949 年又爆發(fā)過一次，但規(guī)模稍小，從泥石流堆積扇的分布、厚度及堆積旋回分析，芭 蕉河泥石流在歷史上曾活動(dòng)頻繁,規(guī)模宏大，后期呈衰減之勢.但近年來,人類活 動(dòng)加劇，毀林開荒,使生態(tài)復(fù)劣,泥石流活動(dòng)重趨活躍.為此，積極對泥石流進(jìn)行防 治是完全必要的3、泥石流威脅性評價(jià)根據(jù)泥石流的活動(dòng)程度（體積或面積），可將其災(zāi)變等級劃分為特大型、大型、中型和 小型四個(gè)級別（表1-1）。表1-1泥石流的災(zāi)變等級劃分活動(dòng)程度災(zāi) 變 等

8、 級特大型大型中型小型體積(104m3)100100101011000100010010010505020212020101011000100010010010100010001001001010*兩個(gè)指標(biāo)不在同一級次時(shí)，按從高的原則確定災(zāi)度等級。根據(jù)泥石流的災(zāi)變等級和災(zāi)度等級，可將其防治工程的安全等級劃分為四個(gè)安全等級（表 1-3）。表1-3泥石流防治工程安全等級劃分泥石流防治工程安全等級一級二級三級四級災(zāi)變等級特大型大型中型小型災(zāi)度等級特大災(zāi)大災(zāi)中災(zāi)小災(zāi)*兩個(gè)指標(biāo)不在同一級次時(shí)，按從高的原則確定防治工程安全等級。主體工程（攔擋壩）的整體穩(wěn)定性符合抗滑和抗傾覆安全系數(shù)的要求（表1-4）。表1

9、-4泥石流防治主體工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)防治工程安全等級降雨強(qiáng)度攔擋壩抗滑安全系數(shù)攔擋壩抗傾覆安全系數(shù)基本荷載特殊荷載基本荷載特殊荷載一級100年一遇1.201.051.601.30二級50年一遇1.151.031.501.25三級30年一遇1.101.021.401.20四級10年一遇1.051.011.301.15同時(shí)，壩體內(nèi)或地基的最大壓應(yīng)力amax不超過筑壩材料的允許值，最小壓應(yīng)力omin不允許出現(xiàn)負(fù)值。 根據(jù)以上資料可知所設(shè)計(jì)的泥石流防治工程安全等級應(yīng)達(dá)到二級安全標(biāo)準(zhǔn)，按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。4、泥石流設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算41設(shè)計(jì)暴雨頻率計(jì)算芭蕉河流域設(shè)計(jì)暴雨頻率計(jì)算表時(shí)間（年 月 日）H21 i (u

10、uiO86時(shí)間（年 月 日）H21 i (uuiO41.SI54.S52.445.41976.6 M70.51961.63051.466.31952.S2163.753.31963.72541.956.71964.520456.338.671.747.88S.655.257.561.555.2198491635.619&U.344.61M5.7943. S52.172.31971.72844.S59.854.256.51973.72464.974.5經(jīng)過計(jì)算得下表:1-2年份暴雨強(qiáng)序號m由大到小排列模比系數(shù)KiK1(Ki-1)2經(jīng)驗(yàn)頻率(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)19588

11、6188.61.540.540.29163.0195964.82861.500.500.25006.1196045.4374.51.300.300.09009.1196151.4472.31.260.260.067612.1196263.7571.71.250.250.062515.2196341.9670.51.230.230.052918.2196466.3766.31.150.150.022521.2196571.7866.31.150.150.022524.3196688.6964.91.130.130.016927.3196757.51064.81.130.130.016930.31

12、96855.21163.71.110.110.012133.3196944.61261.51.070.070.004936.4197052.11359.81.040.040.001639.4197144.81457.51.000.00042.4197254.21556.70.99-0.010.000145.5197364.91656.50.98-0.020.000448.5197441.81755.20.96-0.040.001651.5197552.41855.20.96-0.040.001654.5197670.51954.20.94-0.060.003657.6197766.32053.

13、30.93-0.070.004960.6197853.32152.40.91-0.090.008163.6197956.72252.10.91-0.090.008166.7198038.62351.40.89-0.110.012169.7198147.82447.80.83-0.170.028972.7198255.22545.40.79-0.210.044175.8水文頗率III型分布曲經(jīng)0.01 0.03 0.08 0.2 0.4 0.71系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(Xi X)2均方差:b =jD(x)二、i=f= 12.7432 冬-X)2離勢系數(shù)：C丑v n 1模比系數(shù)：k = Xi X (K -

14、1)3偏態(tài)系數(shù):C =s (n 3)C 3列表4.2清水洪峰流量(q )計(jì)算，wpQ = k F 23 . k(其中 k =2.6m3/s km2，選取 C =2C ,C =0.35,然后查P-III型模比系數(shù)可得 v表2-2清水洪峰流量計(jì)算表P510205090kP1.641.471.280.980.59Qwp10.887279.7587138.4973826.5058083.9167624.3泥石流洪峰流量（q ）計(jì)算，列表P510205090kp1.641.471.280.980.59Qwp10.887279.7587138.4973826.5058083.916762n44444Qcp

15、43.5490839.0348533.9895326.0232315.667054.4泥石年流淤積量（w ）計(jì)算，列表泥石流淤積量計(jì)算采用侵蝕模數(shù)法，根據(jù)對流域綜合情況的判斷，給出林地和坡耕地的 侵蝕模數(shù)，給出輸移比，結(jié)合侵蝕物容重和不同地類面積計(jì)算Wcp。參考林地侵蝕模數(shù)為: 1000t/ km2a，坡耕地侵蝕模數(shù)為：8000t/ km2a。林地年侵蝕量:4.08 km2 X 68% X 1000t/ km2a =2774.4t/a坡耕地年侵蝕量:4.08 km2 X 32% X 8000t/ Sa =10444.8t/a表2-4泥石流淤積量計(jì)算表面積（面）侵蝕模數(shù)（t/ km2a）輸移比W

16、 (t/a)林地2.774410000.41109.76坡耕地1.305680000.44117.92合計(jì)4.08528.685、攔砂壩設(shè)計(jì)5.1壩址選擇壩址選擇原則在地形條件方面，應(yīng)選擇溝道狹窄、庫內(nèi)平坦廣闊的地形，以提高單位壩體攔蓄泥沙的庫容。地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件方面，力求壩基和山坡基礎(chǔ)良好，不漏水，盡量避免地質(zhì)松軟及溝床向下傾斜較陡的地段，以免壩身發(fā)生塌陷、滑動(dòng)等危險(xiǎn)。壩址兩側(cè)山坡應(yīng)穩(wěn)定，無滑坡危險(xiǎn)。壩址上游集水區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重時(shí)，有滑坡潛在危險(xiǎn)。壩址附近應(yīng)有足夠的適宜筑壩用的材料，如粘性土、壤土、砂土、砂、石以及石料等。根據(jù)以上原則，此次設(shè)計(jì)將壩布設(shè)在等高線為900m的溝道上，具體位置

17、見附圖4-1。5.2壩型選擇從安全、經(jīng)濟(jì)的原則對多種壩型進(jìn)行比較，考慮到建筑材料來源、泥石 流的特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可能，選擇壩型為重力壩。其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、就地取 材、耐久性強(qiáng)。建筑材料采用漿砌石。5.3壩的設(shè)計(jì)：初步擬定斷面尺寸初定：壩高H=10m壩間距L=85m壩頂寬b=3m壩底寬度a=15m壩坡：上游為1:1；下游為1:0.8壩斷面圖：穩(wěn)定性分析壩高：10m，基礎(chǔ)埋深：2m，堰頂寬：3m。采用砌石砌體筑，砌體容重2.3t / m3.砌體與與壩基之間摩擦系數(shù)為0.5。地基容許承載力：b=4.0kg / cm2泥石流容重與淤積物容重均取2.1t / m水壓力P p = Lyx h 2 x b

18、2內(nèi)摩擦角：中=200壩體受力示意圖：受力示意圖1、作用力計(jì)算：壩體重力(以1m壩長算)G1=20X3X2.3=138t( I )G2= 1/2X10X10X2.3=115t( I )G3= 1/2X67X10X2.3=77.5t( I )G4= 1/2X8X10X2.3=92t( I )壩上游淤積物重：G5= 1/2X7.5X10X2.2=86.25t( I )G6= 0.5X10X2.2=11.5t( I )泥砂壓力1、，p泥二 丫 x H2 x tan2( 450 一 )x b=1/2 X21 X 102 X 0.018 X 1=18.9t(一)被動(dòng)土壓力E =上丫 xH 2 x tan

19、2(45o -)xb2。，2=1/2 X 32 X 21 X0.018=1.7t()壩基壓力:1W = - xYx H x B x 七 x b= 1/2 X 2.2 X 10 X 20 X 1=220t( t )泥石流沖擊力：p、=k xpx V 2 x sin a=1.3 X 2.1 X 4.082 X 0.5=22.72t化為集中力為：F 沖=22.72X1.4X1=31.8t (一)地震力：地震慣性力s-k xaxpx G=0.025 X 0.75 X 1.5 X 2.5=0.07t(一)地震泥沙力Q =(1 + 2k xtan )xp泥二 (1+2X0.05X0.36)X9.26=9.

20、59t(一)2抗滑穩(wěn)定計(jì)算ks=罕=0.5X( G + G+G+G +G+G-W )/(P +F +S+Q-E)12 3 45 6(p泥 沖3壩基應(yīng)力計(jì)算:N= G2+G3+G4 +G5+G6七mo.25M=287.4e=M/N=0.9520/6下游應(yīng)力_N6e )b_1 + 下 b b )=300.25/20X(1+6X0.95/20)=1.92 kg / cm 2 0 =4基于以上計(jì)算，所設(shè)計(jì)的攔砂壩滿足穩(wěn)定性要求。6、溢流口的設(shè)計(jì)61溢流口位置的選擇六庫芭蕉河排路壩地形地質(zhì)圖可知右岸比較平緩，將溢流口選在右岸高程為910m處， 由該處的巖性，考慮到提高安全系數(shù)，將溢流口設(shè)計(jì)為梯形，邊坡比

21、為1:1。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5 0年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為10 0年一遇。泥石流設(shè)計(jì)流量QC = Kq - QB - DQB =(1+)；rH 取 2.4 ; D 取 2.5 ;堵塞系數(shù)De值表堵塞程度最嚴(yán)重較嚴(yán)重一般較弱D2.63.02.02.51.51.91.01.4代入數(shù)據(jù)：5 0 年一遇：Qc = 6.86 (m3/s)10 0 年遇：Qc = 7.245(m3/s)6.2溢流口的確定6-2.1溢流口寬度計(jì)算：選擇單寬流量q=2.0（m3/s）。B = Qc / q=6.86/2=3.43mB-溢流口寬度（m）Qc-泥石流設(shè)計(jì)流量（m3/s）q單寬溢流流量（m3/s）6-2-2溢流口高度計(jì)算：計(jì)算溢

22、流口高度h=h0+Ah, Ah為超高，一般采用0.51.0m。0H噸式中H過流深度（m）；Qc泥石流流量（m3 / s）；m流量系數(shù)，通常取m=1.451. 55,流道表面光滑者取大值， 粗糙者取小值；本設(shè)計(jì)取1.5B溢流堰寬度（m），取3m。帶入數(shù)據(jù)得：0.82m取h=0.5m 所以：h=0.82+0.5=1.32m計(jì)算山洪的流速Vc山洪流速（m/s）R,I-水力半徑（m）及水面縱坡a阻力系數(shù)Yc式中：？改正系數(shù)；H 山洪中固體物質(zhì)比重，一般為2.42.7t/m3；C 山洪容重。帶入得到vc=3.34m/s經(jīng)查閱資料計(jì)算得到，V不於=1.44m/s V不沖=4.25m/sV vcV不於不沖故

23、設(shè)計(jì)合理63壩下消能與沖刷深度計(jì)算采用護(hù)坦消能護(hù)坦多用漿砌塊石砌筑，其長度為23倍主壩高。護(hù)坦厚度可用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：式中：b護(hù)坦厚度(m)；q單寬流量(m3/s/m)z上下游水位差(m)。一一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，在之間。單寬流量2m3/s/m,上下游水位差10m，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.2 帶入計(jì)算得：護(hù)坦厚度b=0.57、排導(dǎo)溝設(shè)計(jì)7.1各參數(shù)值確定根據(jù)課程設(shè)計(jì)提供的背景資料，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，可以確定如下參數(shù):渠道長，由地形圖量取計(jì)算得渠道長=1230m水力坡度:i=120/1230=0.097糙率值:查相關(guān)表格可得到：渠道的糙率值n=0.037.2路線布設(shè)沿著原來的泥石流流通的溝道布設(shè)排導(dǎo)溝，按照尺寸在岸邊

24、設(shè)置擋墻， 把水和沙限制在一定的范圍內(nèi)，避免對周圍的生產(chǎn)生活帶來不便。7.3斷面尺寸設(shè)計(jì)橫斷面設(shè)計(jì) 橫斷面設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定過流斷面的底寬b和深度h。橫斷面設(shè) 計(jì)的步驟如下：根據(jù)荒溪的類型，計(jì)算山洪或泥石流的設(shè)計(jì)流量。排導(dǎo)溝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:對于排導(dǎo) 溝兩側(cè)均為農(nóng)田而無居民點(diǎn)者，可按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；兩側(cè)有居民點(diǎn)和重要設(shè)施時(shí)， 按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。排導(dǎo)溝周圍有學(xué)校和汽車站，所以選用50年一遇標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)沖積扇的特性選定排導(dǎo)溝的斷面形式。一般情況下，排導(dǎo)溝采用梯形斷面， 其內(nèi)坡采用1:1.51:1.75，夕卜坡為1:11:1.5，堤頂寬1.52.5m。根據(jù)公式初步確定底寬。月 0.23bip=0

25、.947m式中：b一排導(dǎo)溝底寬m；l 一排導(dǎo)溝縱坡;F一流域面積km2。根據(jù)山洪或泥石流流量公式試算水深或泥深。排導(dǎo)溝深度的確定縱斷面設(shè)計(jì)排導(dǎo)溝的縱斷面設(shè)計(jì)按如下步驟進(jìn)行：根據(jù)高程測量數(shù)據(jù)繪出地面高程線；根據(jù)選定的縱坡，并考慮與大河的銜接，繪出排導(dǎo)溝的溝底線；根據(jù)橫斷面設(shè)計(jì)水（泥）深，繪出水（泥）位線，即水（泥）位高程=溝底高程+設(shè)計(jì) 水（泥）深；根據(jù)水（泥）位高程和超高，繪堤頂線，即堤頂高程=水（泥）位高程+超高；斷面尺寸設(shè)計(jì)：渠道斷面采用梯形斷面，最優(yōu)的斷面比取值參照下表梯形渠道的最佳寬深比6值m0.000.250.500.751.001.251.501.752.00P2.001.561.241.000.830.700.610.530.47m=1